重庆种植业灰水足迹核算及空间差异分析

班荣舶，何太蓉

(1.重庆师范大学地理与旅游学院,重庆 400047；2.安顺学院资源与环境工程学院,贵州安顺 561000)

重庆种植业灰水足迹核算及空间差异分析

班荣舶1，2，何太蓉1

(1.重庆师范大学地理与旅游学院,重庆 400047；2.安顺学院资源与环境工程学院,贵州安顺 561000)

用灰水足迹方法评价水环境变化,逐渐成为水环境及相关研究的热点之一。为了掌握重庆农业水环境状况,把灰水足迹与农业面源污染联系起来,首先核算重庆2007年种植业灰水足迹,然后对其空间差异进行分析。结果表明:①重庆2007年的种植业灰水足迹为22 088.88×106m3；②重庆多数区县种植业灰水足迹密度差异不大；③重庆2007年的种植业灰水足迹强度东部高、西部低；④种植业水环境压力指数西部高、东部低,城市发展新区的13个区县种植业已对水环境造成污染。研究表明,重庆水环境保护要重视种植业产生的污染。

重庆种植业；灰水足迹；水环境；空间差异；污染

2015,32(11):7-13

1 研究背景

由于我国人多地少、水土资源组合不匹配,化肥和农药已成为农作物产品高产、稳产的重要保障。然而,随着化肥农药施用强度增加,进入水环境的化肥农药量随之增大,直接导致了水环境恶化,威胁人类饮水安全。

Hoekstra和Hung[1]于2002年首次提出水足迹概念,水足迹通常是指任何已知人口(一个国家、地区或个人)在一定时间内消费的所有产品和服务所需要的水资源数量。水足迹为水资源管理提供了新思路,很快得到政府和学界重视。学术界掀起了消费水足迹[2-3]、粮食作物水足迹[4]、水资源足迹灾变预测[5]等研究的高潮,这些成果为水足迹的研究奠定了基础,但现有的水足迹研究尚无法定量解释水污染对水资源数量的影响。

2008年,Hoekstra和Chapagain[6]首次提出灰水足迹概念,2010年,灰水足迹概念和计算方法得到完善和统一,用于衡量生产、生活造成的水污染状况。灰水足迹是指以自然本底浓度和现有的环境水质标准为基准,将一定的污染物负荷吸收同化所需的淡水的体积[7]。水污染的程度和规模可以通过稀释该污染物至水质标准的水量来反映。当前国外对灰水足迹研究集中于产品的灰水足迹评价[8]。在国内,秦丽杰等[9]核算了吉林省西部单位质量玉米的灰水足迹；张郁等[10]基于化肥污染,研究了黑龙江垦区粮食生产灰水足迹；曾昭和刘俊国[11]应用灰水足迹分析北京市水环境。从我国现有的研究成果看,计算灰水足迹时参考的环境浓度标准值不统一,进入水环境污染物的量以统计数据为主,研究对象偏向粮食作物灰水足迹,研究结果可比性较弱。可见我国的灰水足迹研究还比较零散,未形成科学系统的研究,尤其是以县域为单元的种植业灰水足迹空间差异研究尚未见报道。

重庆是有着典型城乡二元结构的直辖市,农村面积大,农业人口多。近年来,随着社会经济快速发展、人口快速增长,迫于农业生产压力,施用化肥农药带来的农村环境污染不容乐观,李杰霞等[12]的研究表明重庆农业面源污染已达到严重污染程度。鉴于此,本文对重庆各区县种植业灰水足迹进行了核算并基于功能分区分析灰水足迹环境效应,一方面可以拓展灰水足迹理论应用空间；另一方面为水环境保护决策的制订提供科学依据,为保障三峡库区水安全提供思路。

2 研究方法与数据来源

2.1 研究区概况

重庆位于中国西南部,地貌上属于四川盆地东部。重庆东西长470 km,南北宽450 km,幅员面积约8.24万km2。气候方面本区属中亚热带季风性湿润气候,多年平均气温18℃左右,多年平均降水量1 000～1 400 mm。重庆共辖38个区县(自治县), 2013年9月重庆划定5大功能分区:都市功能核心区、都市功能拓展区、城市发展新区、渝东北生态涵养发展区(简称渝东北区)和渝东南生态保护发展区(简称渝东南区)。近年来,随着人口和社会经济发展,重庆地区水环境受到冲击,据《重庆市环境状况公报》数据显示,重庆市的COD、氨氮排放负荷分别由2007年的25.13万t、2.49万t上升到2012年的40.28万t、5.34万t。2007年,重庆三峡库区33条一级支流回水区上游水体呈富营养的断面占14.2%,回水区中段水体呈富营养的断面占25%,8条河流的回水区部分河流发生“水华”现象。2012年重庆三峡库区36条一级支流回水区呈富营养的断面占25%,重庆市水环境污染凸显。

2.2 种植业灰水足迹计算方法

本文的种植业界定为人类为了收获农作物产品的耕种活动,包括粮食、油料、蔬菜瓜类、花卉、桑园、果园、茶园等的耕种活动。

经调查,重庆种植业活动中施用的化肥以氮肥和磷肥为主,还有少量钾肥,其中氮肥比例最高。进入土壤中的氮流动性较强,很容易进入地表水和地下水；进入土壤的农药易溶于水,从而进入水体而恶化水环境。相比较而言,进入土壤中的磷不易流动,钾在土壤中的流动性介于氮和磷之间,但是由于钾离子能被土壤胶体离子吸附导致钾不容易被淋滤[13]。考虑以上因素,本文在计算时以流失氮肥(TN)和农药产生的灰水足迹代表种植业灰水足迹。

式中:WFgrey为灰水足迹(m)；L为污染物排放负荷(kg)；Cmax为达到环境水质标准情况下的污染物最高浓度(mg/L)；Cnat为受纳水体的初始浓度(mg/L)。

由于土壤具有截留污染物、降解污染物的功能,因此,计算种植业灰水足迹的一个难点是难以准确计算进入水体的某种污染物的量。这需要有最终进入水体污染物的固定比例值,即污染物入河系数。污染物入河系数一般通过实验测算或参考现有的文献得到,因此,需要对灰水足迹计算公式修正。

通过引入污染物入河系数,本文种植业灰水足迹计算公式为

式中:WFp-grey为种植业灰水足迹(m3)；mp为氮肥(农药)施用量(kg)；k为施用的氮肥(农药)的入河系数；mi为氮肥、农药入河量(kg)。

2.3 种植业灰水足迹评价指标

种植业产值强调兼顾数量增长与生态环境良性循环发展,要把握种植业对水环境产生的影响,要体现种植业灰水足迹空间上的差异,单纯讨论灰水足迹总量有些片面。由于区域面积、种植业播种面积、农业生产水平、经济发展水平等在各区县有着量上的差别,因此,要综合评价一个区域的灰水足迹,构建合理的评价指标很必要。

本文构建4个评价指标用以综合分析重庆种植业灰水足迹,各指标解释如下。

(1)种植业灰水足迹密度(m3/hm2):种植业灰水足迹与播种面积的比值。该值越大,意味着单位播种面积产生的灰水足迹越多,污染越严重。

(2)种植业灰水足迹强度(m3/万元):种植业灰水足迹与种植业产值的比值。该指标反映种植业经济环保水平,该值越小,意味着种植业单位产值牺牲的水环境代价越低。

(3)种植业水环境压力指数:种植业灰水足迹与当地生态环境最低需水量的比值。该指标反映种植业对水环境的影响程度。一个国家或地区的水资源开发利用率若超过30%～40%,则可能引起生态环境的恶化[14],因此,本文将重庆各区县水资源总量的60%作为生态环境最低需水量。

(4)种植业氮污染浓度(mg/L):种植业氮流失量与生态环境最低需水量的比值。该指标反映种植业氮污染负荷,用以初步验证种植业灰水足迹与水污染程度关系。

2.4 数据来源及处理

本研究采用我国《地表水环境质量标准基本项目标准限值》(GB 3838—2002)[15]中相应的水体所含物质浓度标准作为污染物在水体中的环境浓度标准值(Cmax)。从水域功能来看,III类以下的地表水已经丧失饮用和渔业生产功能,因此本文将“环境可接受的程度”定为Ⅲ类水质标准。种植业中氮肥的淋湿主要以硝态氮为主[16],标准中的硝酸盐(以N计)的标准浓度限值为10 mg/L,采用此浓度作为计算种植业灰水足迹的依据。重庆农药主要为有机磷类,因而农药采用“对硫磷”标准浓度,即0.003 mg/L。Cnat为污染物质在水体中的原始浓度,常假设为0[7]。水资源量数据来自《重庆市水资源公报2007》[17]；种植业产值等数据来自《重庆市统计年鉴》[18]；化肥、农药入河量均来自《重庆市农业污染源普查技术报告》①数据来自:重庆市污染源普查领导小组办公室农业组,《重庆市农业污染源普查报告》。(表1)。本文在数据统计时以新的行政区划进行,由于数据来源以及兼顾行政区域完整性,本文在分析区域差异时把都市功能核心区和都市功能拓展区合并为都市功能区。

表1 重庆市2007年37个区(县)种植业总氮、农药入河量Table 1 Amounts of total nitrogen and pesticide into rivers from crop farming in 37 counties of Chongqing in 2007

3 结果与分析

3.1 种植业灰水足迹总量分析

根据表1的数据和式(2)计算出重庆2007年种植业灰水足迹(表2)。从表2可知,2007年重庆种植业总灰水足迹为22.742 5亿m3,其中总氮灰水足迹为22.088 8亿m3,比重为97.13%,农药灰水足迹为0.653 7亿m3,比重为2.87%。由此可见,种植业灰水足迹主要来自总氮污染物,这提示了要减少种植业灰水足迹,就要合理施氮肥,提高氮肥利用率。

表2 重庆2007年种植业灰水足迹Table 2 Grey water footprint of crop farming of Chongqing in 2007

灰水足迹在实际应用中面临的一个难点是如何确定不同污染物灰水足迹之间的关系。本文认为,氮和农药对水环境污染有明显重叠性,为了避免重复计算,本文选取氮灰水足迹作为重庆种植业灰水足迹,即2007年种植业灰水足迹为22.088 8亿m3,是当年水资源量(662.960亿m3)的3.33%,这意味着重庆2007年需要22.088 8亿m3的淡水来稀释种植业产生的污染物,方能使水体维持较好的状态。

3.2 重庆各区县种植业灰水足迹空间分析

由各区县总氮入河量(表1)和式(2),计算出各区县种植业总氮灰水足迹。由于各区县的播种面积、农业发展水平、地形地貌等的差异,导致各区县种植业灰水足迹存在高低差异。目前,关于灰水足迹空间高低等级的划分未形成统一标准,等级的划分要根据研究区的实际情况而定,为了体现重庆各区县种植业灰水足迹的区域差异,在ArcGIS 10.0制图软件支持下,以低、中、高3个等级进行区分其差异(图1)。

图1 重庆2007年的各区县种植业灰水足迹Fig.1 Grey water footprint of crop farming in all districts and counties of Chongqing in 2007

(1)种植业灰水足迹低的区县主要分布在都市功能区。都市功能区是重庆的政治经济、历史文化、金融创新、现代服务业中心,绝大部分耕地被建设用地和绿化用地取代,种植业规模较小,农业主要以都市生态农业、休闲观光农业为主。除此之外,城口县和武隆县种植业灰水足迹同样低,城口县地处秦巴山地,山高坡陡,而武隆县喀斯特发育强烈,石漠化面积广,因而这2县的播种面积少,种植业规模不大。

(2)种植业灰水足迹中等的区县主要分布在城市发展新区、渝东南区和渝东北区。城市发展新区地形多属缓丘,土壤也较肥沃,农业资源环境优越,农业人口多,农村经济发展基础雄厚,区位条件优越,是重庆粮食和蔬菜供给基地,粮食和经济作物种植面积广,复种指数高。渝东北区自然条件相对较差、生态环境脆弱、人多地少,化肥高投入成为种植业增产的主要途径,而水土流失会带走大量化肥。渝东南区喀斯特地貌分布广、岩溶淋湿作用强,导致土层薄、肥力低,种植业化肥投入高,加之高强度的水土流失,加剧化肥流失。

(3)种植业灰水足迹高的区县有合川区、江津区、綦江区、涪陵区、开县、万州区、奉节县。合川区、江津区、綦江区作为重庆粮食和蔬菜生产大区,播种面积大,化肥施用量高。涪陵区是榨菜生产基地,榨菜种植面积大,复种指数高,且增产依赖化肥高投入。开县、万州区、奉节县地处三峡库区腹心段,是国家重点生态功能区和农产品主产区,耕地主要以坡耕地为主,严重的水土流失造成大量化肥进入水体。

3.3 种植业灰水足迹综合指标分析

3.3.1 种植业灰水足迹密度分析

重庆2007年种植业灰水足迹密度空间分布如图2所示。

图2 重庆2007年的各区县种植业灰水足迹密度Fig.2 Density of grey water footprint of crop farming in all districts and counties of Chongqing in 2007

本研究分3个等级来探讨灰水足迹密度大小。由图可见,①低密度区县有巴南区、忠县、武隆县,其中武隆县最低(1 196 m3/hm2)；②中密度区县共有30个区县,在各功能区均有分布,说明重庆多个区县单位播种面积流失的氮差异不大,普遍存在氮中度流失现象；③高密度区县有沙坪坝区、九龙坡区和彭水县,其中沙坪坝区最高(1 815 m3/hm2),是最低的武隆县的1.52倍,说明沙坪坝区单位播种面积氮流失量最高。综上,提高氮肥利用率、减少氮流失是重庆种植业需要突破的技术难题。

3.3.2 种植业灰水足迹强度分析

重庆2007年种植业灰水足迹强度空间分布如图3所示。

图3 重庆2007年各区县种植业灰水足迹强度Fig.3 Intensity of grey water footprint for crop farming in all districts and counties of Chongqing in 2007

本研究分3个等级加以探讨。①低强度区县共有19个,主要分布在城市发展新区,其中大渡口区最低(204 m3/万元)；城市发展新区离都市区近,交通便利,种植业商品率高,种植业产值高；②中强度区县共16个,主要分布在渝东北区和渝东南区；③高强度区县有巫溪县和梁平县,其中梁平县最高(3 341 m3/万元),是最低的大渡口区的16.38倍,意味着梁平县种植业万元产值牺牲水环境的代价最高。

整体上,渝东北区和渝东南区的种植业灰水足迹强度高于都市功能区和城市发展新区。渝东北和渝东南多属少数民族和革命老区,种植业粗放,产值低。这也意味着渝东北区和渝东南区的种植业单位产值付出的水环境代价较高,提示今后的种植活动要合理施肥,减小化肥流失量,同时面向市场,提高种植业产值。

3.3.3 种植业水环境压力指数分析

从图4可以看出重庆2007年种植业水环境压力指数空间差异明显。

图4 重庆2007年各区县种植业水环境压力指数Fig.4 Pressure index of water environment for crop farming in all districts and counties of Chongqing in 2007

(1)低压力区县共24个,主要分布在都市功能区、渝东北区和渝东南区,其中巫溪县最低(1.34%)；

(2)中压力区县共7个,主要分布在城市发展新区；

(3)高压力区县共6个,主要分布在城市发展新区的西部,其压力指数均超过16%,其中潼南县最高(24.18%)。

重庆种植业水环境压力指数总体格局为西部高、东部低。其原因可能有:

(1)重庆降水从西向东逐渐递增,导致重庆西部水资源量少,成为缺水区,而东部水资源量相对较多；

(2)由于各区县的种植业规模和化肥施用水平不同,产生的灰水足迹不同,从计算的结果看,西部种植业灰水足迹普遍高于东部。

3.3.4 种植业氮污染浓度与水环境压力分析

图5 重庆各区县2007年种植业氮污染浓度Fig.5 Density of pollution by nitrogen from crop farming in all districts and counties of Chongqing in 2007

种植业氮污染浓度能揭示灰水足迹与水污染程度的关系。从图5可知:①都市功能区(6个区县)、渝东北和渝东南的种植业氮污染浓度均＜1 mg/L,符合我国地表水环境质量标准的Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ类水质标准；②垫江县、长寿区、沙坪坝区、巴南区、合川区、璧山县、綦江区的种植业氮污染浓度在1.01～1.50 mg/L之间,属于Ⅳ类水质标准；③城市发展新区西部的潼南县、铜梁县、大足区、荣昌县、永川区、江津区的种植业氮污染浓度均超过1.50 mg/L,属于Ⅴ类水质标准。由于Ⅳ,Ⅴ类水已失去饮用和渔业养殖功能,由此初步认为2007年重庆有13个区县的种植业已对水环境产生污染。

对比图4和图5,初步认为:①重庆2007年的种植业水环境压力指数和氮污染浓度空间分布基本一致；②种植业水环境压力指数大于10.01%的区县,该区县的氮污染浓度超过1 mg/L,水环境受污染。根据《重庆市水资源公报2007》公布的水环境状况,重庆市次级河流清水溪、大溪河(九龙坡段)、一品河、花溪河、磨滩河、高滩河、卧龙河等水质较差,长寿区桃花溪呈中度富营养,而这些次级河流分布于这13个区县。由此可见,本文研究结果与重庆实际基本相符合。

4 结论与讨论

通过核算重庆2007年各区县种植业灰水足迹总量,构建4个指标对其进行分析,得出的结论有:

(1)重庆2007年种植业灰水足迹22.088 8亿m3。

(2)种植业灰水足迹高的区县主要分布在城市发展新区和渝东北区。

(3)重庆2007年多个区县种植业灰水足迹密度差异不大。

(4)渝东北和渝东南区县的种植业灰水足迹强度高于都市功能区和城市发展新区。

(5)种植业水环境压力指数总体格局为西部高、东部低。

(6)城市发展新区的潼南县、荣昌县、永川区等13个区县的种植业水环境压力指数均＞10.01%,这些区县的氮污染浓度超过1 mg/L,种植业已对水环境产生污染。

研究表明重庆在治理水环境污染时,不能忽视种植业产生的污染。种植业若合理高效利用化肥、农药,既增加了产量、减少病虫害,又减少了污染,同时也相对增加了宝贵的水资源。

自2008年来,重庆农业生产化肥施用量逐年增长,由2008年的87.51万t增长到2012年的96.02万t[19]。在现有的种植技术水平下,加之重庆自然环境的复杂性,化肥流失依然存在。鉴于此,要减少种植业灰水足迹,一是要调整化肥施用结构,增施生物有机肥；二是改良土壤、培肥地力等方式,提高作物对肥料吸收利用,从源头减少化肥流失量。

需要说明的是,受数据完整性的影响,本文只核算重庆2007年种植业灰水足迹,研究结果动态性较弱,但可以起到抛砖引玉作用。今后需要进一步研究整个农业、工业、服务业、生活等产生的灰水足迹,并制定有效适用的污染物控制指标,改善水环境,实现人水和谐发展。

致谢：本研究得到重庆市农业委员会办公室提供基础数据,匿名审稿专家提出宝贵的修改建议,在此谨致谢忱!

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(编辑:赵卫兵)

Calculation and Space Difference Analysis on Grey Water Footprint for Crop Farming in Chongqing

BAN Rong-bo1,2,HE Tai-rong1
(1.School of Geography and Tourism,Chongqing Normal University,Chongqing 400047,China；2.School of Resource and Environmental Engineering,Anshun University,Anshun 561000,China)

Assessing water environment change by grey water footprint has become a hot topic of water environment related researches.To understand the agricultural water environment in Chongqing,the grey water footprint of crop farming in Chongqing in 2007 was calculated,and the space difference was analyzed by relating grey water footprint with agricultural non-point source pollution.Results showed that:1)the grey water footprint of crop farming in Chongqing in 2007 was 2 208.88×106m3,which means 2 208.88×106m3of freshwater was needed to dilute the pollutants from crop farming for a good condition of water environment；2)the density of gray water footprint on crop farming in many counties of Chongqing differs slightly；3)the intensity of gray water footprint on crop farming is high in eastern counties and low in western counties of Chongqing；4)the pressure index of water environment in western counties is higher than that of eastern counties,and the water environment has been polluted by crop farming in 13 newly-developed counties of Chongqing.The research indicates that more attention should be paid to the pollution from crop farming.

Chongqing crop farming；grey water footprint；water environment；space difference；pollution

X502

A

1001-5485(2015)11-0007-07

10.11988/ckyyb.20140419

一般采用污染物稀释至达到水环境水质标准所需淡水量来衡量,计算方法主要参考国际水足迹

的《水足迹评价手册》[7],计算公式为

2014-05-21；

2014-12-28

国家自然科学基金项目(41001168)；重庆市科委软科学项目(CSTC2011CX-rkxA0280)

班荣舶(1987-),男,布依族,贵州紫云人,助教,硕士,主要从事环境灾害与生态保护研究,(电话)13885322810(电子信箱)banrongbo888@126.com。

何太蓉(1973-),女,重庆丰都人,教授,博士,主要从事自然资源与环境研究,(电话)15823571779(电子信箱)he_trong@263.net。